By Scott Gentleman
Website Exclusive – November, 2007
Tracey en ik hebben acht jaar lang in een huis op zonne-energie gewoond en gedurende acht bewolkte winters lieten we elke week een kleine Honda generator draaien om onze accu’s op te laden. We hadden begrepen dat de oorspronkelijke eigenaar van ons huis een kleine waterkrachtcentrale had laten werken via de beek die het hele jaar door op het terrein stroomde, maar we hebben deze optie nooit onderzocht omdat de beek door een dicht bebost gebied liep. Bovendien konden we gewoon zien dat er niet voldoende verval was in de loop ervan.
Site Level
We besloten uiteindelijk om Backwoods Solar’s Site Level te gebruiken, alleen maar om te bevestigen dat hydro geen zin had. Tot onze grote verrassing bleek uit de route die we door het bos aflegden van een potentiële turbinelocatie naar een geschikte inlaatlocatie dat er een verval van ongeveer 80′ was. Niet mogelijk, verklaarden we, in de veronderstelling dat onze techniek gefaald moest hebben. Om onze methode dubbel te controleren, gebruikten we dezelfde Site Level om de daling te meten van onze watertank naar de gootsteen. Wij wisten dat deze daling 56 voet bedroeg omdat wij een doorvoer hadden gebruikt om het te meten toen dit zwaartekracht gevoede systeem werd geïnstalleerd. De beoordeling met de waterpas gaf ons ongeveer 60 voet en bevestigde dat we wisten hoe we de waterpas moesten gebruiken.
Voila, hydro potentieel. In de droogste tijd van het jaar, onze kreek maatregelen ongeveer 3 meter breed door 3-4 centimeter diep en een vijf-gallon emmer en stopwatch suggereerde we hadden meer dan 300 gpm stroomt langs onze inname site. Wow, veel potentieel. Met een hoogteverschil van 2 meter gaf een debietgrafiek aan dat we theoretisch 134 gpm konden laten stromen door een Harris 4-nozzle turbine uitgerust met 7/16″ nozzles. Vervolgens gingen we naar de wattage-grafiek van Don Harris’ Motorcraft dynamo. Met 134 gpm en 80 voet daling, extrapoleerden we dat we 725+/- watt konden genereren. Maar dan moeten we wel een 1.100 voet lange pijpleiding installeren. Meer grafieken. Om de wrijvingsverliezen te beperken en het maximale vermogen te behouden, stelden we vast dat 4″ pijp slechts ongeveer 9 voet bruto opvoerhoogte zou opofferen als alle vier de sproeiers in gebruik waren.
Flume Creek
Een snelle beoordeling van de voordelen van deze hoeveelheid energie overtuigde ons om door te gaan met een installatie. Het was echter 1999 en Backwoods Solar had het ongelooflijk druk met de Y2K-hype, waardoor Tracey en ik weinig tijd hadden voor een installatie. En in die tijd was mijn hydro-expertise niet bepaald een expertise. Dus riepen we de hulp in van Lee Tavenner van Solar Plexus uit Missoula, MT om een kant-en-klaar systeem te ontwikkelen, inclusief zijn installatiewerkzaamheden. Lee stelde genadig de componentenlijst samen, hoewel hij begreep dat wij het merendeel van de componenten zouden leveren; we kwamen een prijs overeen; en hij vond tijd in zijn drukke agenda voor een installatie in een weekend in september.
Vóór dat weekend moesten Tracey en ik de route voor de penstock ontwikkelen door het bos waar de beek doorheen kronkelde. De weg van de minste weerstand volgde oude en overwoekerde houthakkerswegen en dichte bossen. We gebruikten meetlint om een pad te markeren en huurden een buurman met een bulldozer om het pad te hakken en vrij te maken. Een andere buurman met een graafmachine werd ingehuurd om het inlaatbassin, de 4′ diepe geul, de turbinelocatie en het afvoerkanaal naar de beek te graven.
Lee raadde ons aan polyethyleen pijp met hoge dichtheid te gebruiken, omdat die bestand is tegen verplettering en niet barst als het bevriest. Zijn distributeur in Missoula leverde 30 stukken van 40 voet van de 4″ pijp aan onze afgelegen woonplaats, maar kon slechts tot op 1000 voet van onze geullijn komen. Een Honda driewieler kon drie stukken tegelijk binnen 300 voet slepen en Tracey en ik droegen elk stuk de rest van de afstand. Geen ondraaglijke arbeid, maar een 40′ pijp kan een aantal geweldige stuitergolven ontwikkelen als je elkaars tempo niet goed synchroniseert!
Hydro Intake
Deze pijplengtes moeten aan elkaar worden gesmolten in plaats van gelijmd zoals bij PVC. Lee zou de kleine machines voor deze procedure huren en het met hem brengen wanneer het installatieweekend aankwam. Onze Honda 3500 watt generator zou de fusiemachine aandrijven.
Daarna verzamelden en installeerden we de verschillende onderdelen van het stroomsysteem. Aangezien de afstand van de turbine tot onze accubank 350 voet bedroeg, kozen we voor een 24 volt systeem. (Hoewel het PV-systeem dat ons huis van stroom voorzag 12 volt was en veel van onze belastingen 12 volt gelijkstroom waren, wisten we dat een EQ12/24-20 ons in staat zou stellen onze 12 volt gelijkstroomcircuits te handhaven en ervoor te zorgen dat onze 24 volt accubank in balans zou blijven). De afstand van 350 voet van de turbine tot de batterijen en ons opwekkingspotentieel van 700 watt leidden ertoe dat wij 1/0 direct ingegraven koperkabel kozen om de transmissieverliezen te minimaliseren.
Andere bestelde punten omvatten: een Motorcraft turbine met 4 straalpijpen van Don Harris, aangepast aan de parameters van onze site; een Trace SW4024 omvormer; een Backwoods Solar Powercenter kit gebouwd rond de Trace DC250 disconnect box en Bogart Engineering’s Trimetric batterijmeter; een Trace C40 met digitale display; twee Enermax 900 watt airloads ontworpen voor 24 volt systemen; een inline analoge ampèremeter voor het meten van hydrostroom aan de powerhed; vier Trojan L-16HC batterijen; en diverse bekabeling, zekeringen, enz.
Hydroturbine
Gemakelijk genoeg besloten we dat ons nieuwe systeem in een werkplaats op 100 voet van ons huis zou worden geplaatst. Het 12 volt PV-systeem bevond zich in ons huis, met zonnepanelen op het dak van de keuken en een omvormer, accu’s, enzovoort in de woonkamer. Door te verhuizen zouden we het altijd aanwezige gezoem van die SW2512 omvormer uit onze woonruimte verwijderen en de afstand tussen onze houtkachel en het waterstofgas van de accu’s aanzienlijk vergroten. Door ons 24v systeem in de werkplaats te installeren, was de enige onderbreking in de elektrische service aan ons huis toen we de SW2512 loskoppelden van ons AC service center en de SW4024 er weer op aansloten; en toen we onze 12v gezekerde stroomverdeelkast loskoppelden van de Lineage batterijen van ons huis en weer aansloten op de 12v helft van onze 24v Trojan accubank in de werkplaats.
Lee arriveerde op een vrijdagavond en bleef bij ons. Op zaterdagmorgen begonnen we met het fuseren van de 2.500 meter HDPE pijp. Het fuseren is meestal een eenpersoonstaak, die Lee op zich nam. Het bestaat erin twee uiteinden van de pijp naar elkaar toe te trekken en ze in de behuizing van de door een generator aangedreven fuseerinstallatie te passen. Eenmaal geplaatst worden de pijpeinden op hun plaats vergrendeld en een hendel regelt hun beweging. Een roterend snijapparaat met messen die naar elk uiteinde van de pijp zijn gericht, wordt tussen de uiteinden van de pijp gestoken en de hendel wordt bewogen, waardoor de stukken in de messen worden getrokken die ze aan elkaar vierkant maken. Eenmaal vierkant, wordt een verwarmingselement tussen de uiteinden geplaatst; de generator brengt het verwarmingselement op de juiste temperatuur; en dan worden de pijpeinden er tegelijkertijd met de hefboom tegenaan getrokken. Het hete element mag ongeveer ¼” van elk pijpeinde zacht maken; het element wordt verwijderd; en de hefboom trekt de stukken samen waar zij met elkaar versmelten. De naad koelt een paar minuten af en dan gaat Lee verder met de volgende verbinding. Aanvankelijk twijfelde ik aan de sterkte van deze verbinding, maar herhaalde pogingen om de versgesmolten naad te breken mislukten.
Terwijl Lee fuseerde, verplaatsten Tracey en ik afzonderlijke stukken pijp naar op de juiste afstand van elkaar gelegen fuseergebieden. Als Lee klaar was met een naad, sleepten Tracey en ik het steeds langer wordende stuk pijp weg van Lee, zodat hij het volgende stuk eraan kon fusen. In het begin konden Tracey en ik 200 voet gefuseerde pijp naar de volgende verzamelplaats slepen, maar halverwege de middag vroegen we Lee’s hulp nadat het vijfde stuk pijp was bevestigd. Dit proces werd nog verergerd door het feit dat de geul van het vrijgemaakte pad van links naar rechts slingerde om de rechtste lijn van het inlaatbassin naar de turbineplaats te bereiken. We moesten herhaaldelijk de geul en de opgehoopte aarde oversteken om de buizen en de generator te verplaatsen, zoals nodig was. Tegen de avond waren we uitgeput en moesten we nog 200′ pijp afwerken. Als we beter hadden geweten en Lee’s schema het toeliet, had ik ervoor gekozen om de hele pijpleiding te zekeren voordat de geul was gegraven en de paardenkracht van de driewieler te gebruiken om de pijp te trekken zonder het obstakel van de vier voet diepe geul en zijn ingewanden.
Hydro Shed
Terug naar de geulen zondag AM. We maakten het fusen af; gooiden de voltooide pijpleiding in de sleuf; en probeerden toen ervoor te zorgen dat de pijp over zijn lengte voortdurend naar beneden liep. Natuurlijk, een geul van vier voet diep in vaak zachte, vochtige grond klotst, waardoor ontelbare hoge plekken ontstaan die we met een handschep zorgvuldig naar beneden hebben gehaald. En dan bufferden we de pijp met de hand met ongeveer 6″ grond voordat de dozer het grootste deel van de opvulling eroverheen duwde, en dreigde ons ook te bedekken als we niet snel genoeg bufferden.
Eindelijk konden we de turbine op de pijp aansluiten. Bij het turbinehuis (d.w.z. een gat in de grond) installeerden we een manometer, 2″ clean out, afsluiter, en universele koppeling, in lijn voor de turbine. Lee leverde een op maat gemaakt plexiglas opvangbassin met 6″ uitlaatkoppeling waarop de turbine werd gemonteerd. We monteerden de turbine op het leidingwerk, bevestigden een 6″ afvoerpijp aan het bassin, sloten de dynamo aan op batterij (+) en (-) en openden de klep net na ons bier. Het peltonwiel zoemde; een snelle druk op de startknop op het bedieningspaneel van de turbine zette het veld van de dynamo onder stroom; en de ampèremeter sprong in actie.
Het gelukkige uurtje verslechterde echter snel. Terwijl we ophaalden, bereikten de bijna volledig opgeladen Trojan L-16HC batterijen snel het bulk voltage setpoint, dat we in de C40 hadden geprogrammeerd. Zoals het hoort, zou de C40 zijn begonnen met het omleiden van de stroom, maar onbekend voor ons, ging hij onmiddellijk over in overstroomuitschakeling. Ongecontroleerd bleef de accuspanning stijgen. Uiteindelijk liepen we de elektriciteitsruimte binnen, ontdekten een ongelooflijke waterstofgeur, hoorden enorm borrelen uit de batterijen, merkten de oranje LED van de C40 op die overstroom riep, en haastten ons om de waterstroom naar de turbine af te sluiten.
Mystified, we controleerden dubbel alle verbindingen; bevestigden polariteiten en spanningen; en besloten om het weer op te starten, net toen de buurt begon binnen te lopen voor een demonstratie. De poortklep opende; de stroom ontwikkelde zich; het voltage steeg; waargenomen C40; en aangezien C40 begon om te leiden, boem, te sterke intensiteitsluiting. Meer waterstof, meer borrelen, een nieuwe race naar de turbine, geen stroom en verwarde eigenaars, installateur en buren. Erger nog, we wisten dat Lee naar Missoula moest vertrekken. Hij had zijn vertrek al een paar uur uitgesteld om ons op dit punt te krijgen. Gelukkig waren onze accu’s vol; we hadden de Honda generator indien nodig; en we konden problemen telefonisch oplossen.
Hydro Powered Home
Uiteindelijk loste Lee het probleem op. We hadden een 1 ohm 900 watt Enermax airload besteld. Bij 30 volt zou deze belasting ongeveer 30 ampère afleiden. Toen we echter de ohm van de geïnstalleerde Enermax maten, registreerde deze slechts 0,5 ohm. Een halve ohm en 30 volt resulteerde in een onmiddellijke afleiding van meer dan 60 ampère, vandaar de overstroombeveiliging van de C40 (ons eerste model C40 was ontworpen om af te sluiten bij meer dan 62 ampère). Wij ruilden de boosdoener voor een één ohm versie en het systeem werkte onmiddellijk zoals geadverteerd.
Na een paar weken van het runnen van twee nozzles, realiseerden wij ons wij een overvloed van energie hadden. Onze turbine had vier sproeiers en onze kreek kon ze alle vier ondersteunen indien nodig, maar op dagelijkse basis konden we de energie die twee sproeiers creëerden niet gebruiken. Dus verkochten we onze zonnepanelen; verkochten we onze propaan koelkast van 8 kubieke meter; vervingen we die door een elektrische Kenmore van 14 kubieke meter; brachten we onze diepvrieskist van 23 kubieke meter, die altijd bij een buurman had gestaan met netstroom, mee naar huis; koppelden we onze 120v AC bronpomp los van het generatorcircuit en sloten we die weer aan op het AC load center van onze omvormer; en installeerden we een 120v AC waterverwarmingselement in onze heetwatertank. Als het te warm is voor met hout verwarmd warm water, openen we een derde sproeikop en schakelen we het AC-waterverwarmingselement in. Niet onbeperkt warm water, maar genoeg om dagelijks met z’n tweeën te douchen, af te wassen en de was te doen, als dat nodig is.
Tot nu toe hebben we nog geen vier sproeiers hoeven te gebruiken. Moeilijk te geloven dat onze beek met “zo weinig potentieel” zo’n luxueus alternatief huis en levensstijl mogelijk maakt. We zijn verrukt en worden er dagelijks aan herinnerd hoe gelukkig we zijn als we spreken met mensen die worstelen om de eindjes aan elkaar te knopen op een off-grid budget.
Scott en Tracey zijn mede-eigenaren van Backwoods Solar, een op een catalogus gebaseerd bedrijf dat gespecialiseerd is in alternatief opgewekte elektriciteit voor afgelegen huizen waar nutsleidingen niet beschikbaar of praktisch zijn. Het bedrijf wordt gerund door werknemers die hun huizen volledig van stroom voorzien met de producten die zij verkopen. Klik op de link hierboven om hun website te bezoeken.